JP2017033834A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
Description
実施の形態1.
この発明の実施の形態1に係る燃料電池システム100の構成を図1に示す。
燃料電池システム100は、複数のセル(図示せず)を有する燃料電池スタック1と、燃料電池スタック1に水素ガスを供給可能な水素タンク2と、燃料電池スタック1に酸素を含む空気を供給可能なコンプレッサ3とを備えている。燃料電池スタック1と水素タンク2との間には、燃料電池スタック1の各セルに供給される水素ガス量を調整するための電磁弁4が設けられる。
なお、車両負荷20は、具体的には産業車両の荷役装置を駆動するための荷役モータや、車軸を駆動するための走行モータ等である。
また、キャパシタ6は蓄電装置を構成する。また、コンプレッサ3、電磁弁4及びECU8は制御手段を構成する。またさらに、ECU8は電圧推定器7によって推定されるキャパシタ6の開回路電圧に基いてキャパシタ6の充電率(SOC)を算出することができるため、ECU8及び電圧推定器7は充電率検出手段を構成する。
まず、水素タンク2から水素が、コンプレッサ3から空気が、各々、燃料電池スタック1に供給される。そして、燃料電池スタック1の各々のセルでは、水素タンク2から供給される水素とコンプレッサ3から供給される空気中の酸素とが化学反応を起こし電気エネルギーが生成され、発電が行われる。ここで、ECU8は電磁弁4の開閉を制御して、水素タンク2から燃料電池スタック1に供給される水素の量を調整する。また同時に、ECU8は、コンプレッサ3を制御して燃料電池スタック1に供給される空気の量を調整する。これによって、ECU8は、電圧推定器7によって推定されるキャパシタ6の開回路電圧、すなわちキャパシタ6の充電率に基づいて燃料電池スタック1に供給される空気中の酸素及び水素の量を調整し、燃料電池スタック1の発電電力PGを制御する。
燃料電池スタック1の発電の出力状態には、図2に示すように、発電停止状態と、低出力状態と、中出力状態と、高出力状態との4段階の状態がある。
発電停止状態とは、燃料電池スタック1において発電が行われておらず、発電電力PG=0[Kw]である状態をいう。
また、低出力状態とは、セルの劣化を伴うことなく発電可能である最低値の発電電力PG=3[Kw]を、燃料電池スタック1が出力している状態をいう。そして、この時の発電電力PG=3[Kw]を低出力とする。
さらに、高出力状態とは、車両が最大負荷で動作する際に車両負荷20の要求電力PWの最大値としての発電電力PG=12[Kw]を、燃料電池スタック1が出力している状態をいう。そして、この時の発電電力PG=12[Kw]を高出力とする。
またさらに、中出力状態とは、低出力状態時の発電の電力値と高出力状態時の発電の電力値との間の所定値である発電電力PG=6[Kw]を、燃料電池スタック1が出力している状態をいう。そして、この時の発電電力PG=6[Kw]を中出力とする。ここで、中出力状態における燃料電池スタック1の中出力である発電電力PGは、通常の使用条件において車両が動作する際の車両負荷20の要求電力PWのほぼ平均的な値に設定される。
ここで、燃料電池スタック1の中出力状態は第一出力状態を構成する。また、高出力状態は第二出力状態を構成する。また、低出力状態及び発電停止状態は第三出力状態を構成する。
なお、低出力状態、高出力状態及び中出力状態における発電電力PGの値は、この実施の形態における具体的な値には限定されない。
具体的には、まず、燃料電池スタック1が発電停止状態にある時、キャパシタ6の充電率が発電開始閾値VD=50[%]を下回った場合は、燃料電池スタック1は発電を開始して、出力状態は発電停止状態から低出力状態に移行する(切替段階S1)。
次に、燃料電池スタック1が低出力状態にある時、キャパシタ6の充電率が中出力切替閾値VMであるVM1=45[%]を下回った場合は、燃料電池スタック1の発電の出力状態は低出力状態から中出力状態に移行する(切替段階S2)。
さらに次に、燃料電池スタック1が中出力状態にある時、キャパシタ6の充電率が高出力切替閾値VHが30[%]を下回った場合は、燃料電池スタック1の発電の出力状態は中出力状態から高出力状態に移行する(切替段階S3)。なお、高出力切替閾値VHは、車両が最も厳しい条件で使用された際に燃料電池システム100を保護するために最低限必要なキャパシタ6の充電率として設定される。
次に、燃料電池スタック1が中出力状態にある時、キャパシタ6の充電率が出力低減閾値VL=60[%]を上回った場合は、燃料電池スタック1の発電の出力状態は中出力状態から低出力状態に移行する(切替段階S5)。
さらに次に、燃料電池スタック1が低出力状態にある時、キャパシタ6の充電率が発電停止閾値VS=70[%]を上回った場合は、燃料電池スタック1は発電を停止して、出力状態は低出力状態から発電停止状態に移行する(切替段階S6)。なお、発電停止閾値VSは、キャパシタ6が過充電状態となるのを防止するための最高限度の充電率として設定され、残りの充電率の30[%]分は、キャパシタ6が回生エネルギーを受け取るために必要な余剰分として確保されている。
これにより、燃料電池スタック1の発電の出力状態が中出力状態から高出力状態に移行する際(切替段階S3)、キャパシタ6の充電率は中出力切替閾値VM1=45[%]から高出力切替閾値VH=30[%]に至るまでの15%分の範囲で変動することができる。また一方で、燃料電池スタック1の発電の出力状態が中出力状態から低出力状態に移行する際(切替段階S5)、キャパシタ6の充電率は中出力切替閾値VM1=45[%]から出力低減閾値VL=60[%]に至るまでの15%分の範囲で変動することができる。
すなわち、キャパシタ6の充電率が15%分の範囲で変動する間、燃料電池スタック1は中出力状態を保って安定して発電を行うことができる。
図3に示す他の例に係る燃料電池システムでは、燃料電池スタックの出力状態が高出力状態から中出力状態に移行する際(切替段階S4)の中出力切替閾値VMがVM2=40[%]として設定されている。すなわち、図3に示す他の例に係る燃料電池システムでは、中出力切替閾値VM2=40[%]と高出力切替閾値VH=30[%]とがより近い値にある。従って、このような場合、燃料電池スタックの出力状態が高出力状態から中出力状態に移行した(切替段階S4)後に車両負荷の要求する電力が高くなると、すぐにキャパシタの充電率は30[%]を下回り、再び出力状態が高出力状態に切り替わってしまう(切替段階S3)。従って、車両負荷が要求する電力の増減に対して、燃料電池スタックの出力状態は中出力状態と高出力状態との間で頻繁に切り替えが行われる(切替段階S3,S4)。
図4に示す燃料電池システムの燃料電池スタックの出力状態の切り替えでは、高出力状態から中出力状態に移行する際の中出力切替閾値VMがVM3=50[%]として設定されている(切替段階S4)。すなわち、図4に示す他の例に係る燃料電池システムでは、中出力切替閾値VM3=50[%]と出力低減閾値VL=60[%]とがより近い値にある。従って、このような場合、燃料電池スタックの出力状態が高出力状態から中出力状態に移行した後に、車両負荷の要求する電力が低い状態にあったり、又は回生によってキャパシタが充電されたりするとすぐにキャパシタの充電率は60[%]を上回る。従って、燃料電池スタックの出力状態は、高出力状態から中出力状態への切り替え、及び中出力状態から低出力状態への切り替えがより短時間で行われる。
この発明の実施の形態2に係る燃料電池システム200の構成を図5に示す。なお、燃料電池システム200の構成は、図1に示す実施の形態1に係る燃料電池システム100の構成と同様である。
燃料電池システム200の燃料電池スタック1の発電の出力状態には、図5に示すように、発電停止状態と、中出力状態と、高出力状態との3段階の状態がある。各々の出力状態は、実施の形態1の燃料電池システム100における発電停止状態、中出力状態及び高出力状態と同様である。
なお、この実施の形態において、発電停止状態が第三出力状態を構成する。
具体的には、まず、燃料電池スタック1が発電停止状態にある時、キャパシタ6の充電率が中出力切替閾値VMとしてのVM4=50[%]を下回った場合は、燃料電池スタック1は発電を開始し、出力状態は発電停止状態から中出力状態に移行する(切替段階S1’)。
次に、燃料電池スタック1が中出力状態にある時、キャパシタ6の充電率が高出力切替閾値VH=30[%]を下回った場合は、燃料電池スタック1の発電の出力状態は中出力状態から高出力状態に移行する(切替段階S2’)。
次に、燃料電池スタック1が中出力状態にある時、キャパシタ6の充電率が出力低減閾値VL=70[%]を上回った場合は、燃料電池スタック1は発電を停止し、出力状態は中出力状態から発電停止状態に移行する(切替段階S4’)。なお、燃料電池システム200における出力低減閾値VL=70[%]は、燃料電池システム100の発電停止閾値VSと同一の値であり、キャパシタ6が過充電状態となるのを防止するための最高限度の充電率として設定されている。
これにより、燃料電池スタック1の発電の出力状態が中出力状態から高出力状態に移行する際(切替段階S2’)、キャパシタ6の充電率は中出力切替閾値VM4=50[%]から高出力切替閾値VH=30[%]に至るまでの20%分の範囲で変動することができる。また一方で、燃料電池スタック1の発電の出力状態が中出力状態から発電停止状態に移行する際(切替段階S4’)、キャパシタ6の充電率は中出力切替閾値VM4=50[%]から出力低減閾値VL=70[%]に至るまでの20%分の範囲で変動することができる。
また、中出力切替閾値VMが出力低減閾値VL=70[%]により近い値に設定された場合も、燃料電池スタックの出力状態は中出力状態と発電停止状態との間で頻繁に切り替えが行われるようになる(切替段階S1’,S4’)。そしてさらに、高出力状態から中出力状態への切り替え(切替段階S3’)、及び中出力状態から発電停止状態への切り替え(切替段階S4’)がより短時間で行われるようになる。
また、低出力状態又は発電停止状態から中出力状態に移行する際の中出力切替閾値VMのみを、
Claims (5)
- 車両負荷に電気的に接続される燃料電池スタックと、
前記車両負荷と並列に前記燃料電池スタックに電気的に接続される蓄電装置と、
前記蓄電装置の充電率を検出する充電率検出手段と、
前記充電率検出手段が検出する前記蓄電装置の前記充電率に基づいて前記燃料電池スタックの出力状態を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記燃料電池スタックの出力状態を、
出力値が所定の中出力値である第一出力状態と、
出力値が前記中出力値よりも高い所定の高出力値である第二出力状態と、
出力値が前記中出力値よりも低い所定の低出力値である第三出力状態とに切替えることができ、
前記燃料電池スタックの出力状態が前記第一出力状態である時には、
前記蓄電装置の前記充電率が所定の高出力切替閾値VHを下回った場合に前記燃料電池スタックの出力状態を前記第一出力状態から前記第二出力状態に切り替え、
前記蓄電装置の前記充電率が、前記高出力切替閾値VHよりも高い所定の出力低減閾値VLを上回った場合に前記燃料電池スタックの出力状態を前記第一出力状態から前記第三出力状態に切り替え、
前記燃料電池スタックの出力状態が前記第二出力状態である時には、
前記蓄電装置の前記充電率が、前記高出力切替閾値VH及び前記出力低減閾値VLに基づいて定められる中出力切替閾値VMを上回った場合に前記燃料電池スタックの出力状態を前記二出力状態から前記第一出力状態に切り替え、
前記中出力切替閾値VMは、
- 車両負荷に電気的に接続される燃料電池スタックと、
前記車両負荷と並列に前記燃料電池スタックに電気的に接続される蓄電装置と、
前記蓄電装置の充電率を検出することができる充電率検出手段と、
前記充電率検出手段が検出する前記蓄電装置の前記充電率に基づいて前記燃料電池スタックの発電の出力状態を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記燃料電池スタックの出力状態を、
出力値が所定の中出力値である第一出力状態と、
出力値が前記中出力値よりも高い所定の高出力値である第二出力状態と、
出力値が前記中出力値よりも低い所定の低出力値である第三出力状態とに切替えることができ、
前記燃料電池スタックの出力状態が前記第一出力状態である時には、
前記蓄電装置の前記充電率が所定の高出力切替閾値VHを下回った場合に前記燃料電池スタックの出力状態を前記第一出力状態から前記第二出力状態に切り替え、
前記蓄電装置の前記充電率が、前記高出力切替閾値VHよりも高い所定の出力低減閾値VLを上回った場合に前記燃料電池スタックの出力状態を前記第一出力状態から前記第三出力状態に切り替え、
前記燃料電池スタックの出力状態が前記第三出力状態である時には、
前記蓄電装置の前記充電率が、前記高出力切替閾値VH及び前記出力低減閾値VLに基づいて定められる中出力切替閾値VMを下回った場合に前記燃料電池スタックの出力状態を前記第三出力状態から前記第一出力状態に切り替え、
前記中出力切替閾値VMは、
- 前記制御手段は、前記燃料電池スタックの出力状態が前記第三出力状態である時には、
前記蓄電装置の前記充電率が、前記中出力切替閾値VMを下回った場合に前記燃料電池スタックの出力状態を前記第三出力状態から前記第一出力状態に切り替える請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記スタックの前記第三出力状態は、前記低出力値が0[Kw]よりも高い値をとる低出力状態と、前記低出力値が0[Kw]の値をとる発電停止状態とを含み、
前記制御手段は、
前記蓄電装置の前記充電率に基づいて、前記燃料電池スタックの出力状態を、前記第一出力状態と、前記第二出力状態と、前記低出力状態と、前記発電停止状態とに切替えることができ、
前記燃料電池スタックの出力状態が前記低出力状態である時、前記蓄電装置の前記充電率が前記中出力切替閾値VMを下回った場合に前記燃料電池スタックの出力状態を前記低出力状態から前記第一出力状態に切り替える請求項2又は3に記載の燃料電池システム。 - 前記スタックの前記第三出力状態は、前記低出力値が0[Kw]の値をとる発電停止状態である請求項1〜3のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
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